南極の魚はなぜ寒さを恐れないのでしょうか？ |科学博物館

南極は地球上で最も寒い場所であり、南極を取り囲む南極海の水は地球上で最も冷たい水です。 3,200万年前の漸新世以来、南極周極海流が南極海と他の海域との熱交換を妨げ、南極海の水温が徐々に低下してきました。南極大陸棚周辺の海水温は年間を通じて0℃以下で、氷と雪に覆われています。

極端に低い気温のため、この地域の海は「数千マイルにわたって凍りついた」状態となった。ここは氷の「小さな世界」です。ここで生息する動物は、毛皮が厚く脂肪が多いことが多いです。たとえば、ペンギンは「厚い毛皮」のように厚い皮下脂肪を持っています。この脂肪はペンギンに寒さに耐えるエネルギーを与えます。

しかし、南極に生息する魚類など、南極に生息するすべての生物がペンギンのような「厚い毛皮」を持っているわけではない。

研究者の観察によれば、南極に生息する魚はペンギンほど「厚い」脂肪を持っていないが、それでも凍ることはないだろう。では、彼らは「厚いコート」なしでどうやって寒さに耐えるのでしょうか?

南極の魚はなぜ凍死しないのでしょうか？

一般的に、魚は変温動物なので、周囲の環境に適応するために体温は水温に応じて変化し、水温と同じになります。魚類生理学の研究結果によると、魚の血液の凝固点は一般的に-1℃程度です。つまり、気温が-1℃以下に下がると、魚は「アイスキャンディー」のように凍ってしまうのです。南極の海水の温度は一年中氷点下であり、普通の魚はここでは生き残ることができません。

しかし、科学者たちは、南極の魚は氷に凍りついているのではなく、何もなかったかのように泳ぎ回り、繁殖していることを発見した。では、なぜここの魚は寒さを恐れないのでしょうか?

世界で最も寒さに強い魚である南極のタラを例に挙げてみましょう。南極のタラは形が厚く太く、皮は黒と茶色の斑点がある自然な銀灰色です。主に南極付近の比較的冷たい海域に生息し、南緯82度のロス棚氷付近でも見られます。

研究を通じて、科学者たちは、他の地域の魚と比較して、南極に生息する魚の血液には糖化という特別な成分が含まれていることを発見しました。グリコシル化を主成分とする特殊な化学物質は、これらの魚が寒さに対処するのに役立ちます。科学者たちはこれを不凍タンパク質と呼んでいます。この不凍タンパク質は、氷や水と相互作用して水が凍る温度を下げることができる高分子タンパク質です。さらに、海水温の変化に応じて自動的に調整することもできます。夏には不凍タンパク質の生成が停止し、冬までその効果を発揮し続けます。

不凍タンパク質には主に 2 つの機能があります。

1 つ目は、熱ヒステリシス活動 (THA) です。不凍タンパク質は、水溶液の凝固点を非凝集的に下げますが、融点 (MP) にはほとんど影響を与えないため、水溶液の融点 (MP) と凝固点 (FP) に差が生じます。つまり、氷魚の内部環境を変え、血液の凝固点を下げ、氷の結晶の形成を防ぐことができます。

2つ目は氷再結晶化抑制（IRI）です。氷の再結晶化 (IR) は、小さな氷の結晶を犠牲にして大きな氷の結晶が形成される、熱力学的に好ましいプロセスを説明します。より大きな氷の結晶は、極地や寒冷地に生息する冷凍保存された細胞や生物にとって致命的となる可能性があります。不凍タンパク質は、非常に低い濃度でも氷の再結晶化を阻害することができます。つまり、氷の結晶が形成されると、不凍タンパク質が氷の結晶の開いた側面に直接付着することになります。これは、氷の結晶の変化を物理的に妨害し、氷の結晶が容易に膨張したり、溶けたり、再凍結したりできないようにする直接的な介入です。これにより、氷の結晶の数が少なく安定した状態を保ち、安全な内部環境が確保されます。

南極の魚に含まれるこのタンパク質のおかげで、魚は氷点下の水域でも氷のない状態を保つことができます。南極の魚が氷の海で自由に泳ぐことができるのは、この「才能」のおかげです。

特定のタンパク質は何に使用できますか?

さまざまな科学技術の進歩により、ここ10年ほどの間に極地魚類の低温環境への生理的適応の遺伝的根拠が明らかになりつつあります。不凍タンパク質は、熱ヒステリシス活性と氷の再結晶化阻害活性を持つため、凍結保存において重要な役割を果たします。さまざまな種類の細胞、組織、臓器、新鮮な冷たい食品などを極低温で保存するために使用できます。これらは生命科学、医療・健康、食品、農業の分野で重要な技術となっています。

生殖医療の分野において、凍結保存は不妊や出産の遅れなどの問題を解決できる重要な技術の一つです。不凍タンパク質は、精子、卵子、胚などの組織や臓器の凍結保存に使用できます。外科分野では、凍結療法は現在、腫瘍治療における重要な技術となっています。研究では、手術前に除去する組織に少量の不凍タンパク質を注入すると、手術の成功率が向上し、凍結手術後の対象組織の凍結損傷の問題が軽減されることが報告されています。食品分野では、不凍タンパク質は食品添加物として使用され、氷結晶の成長を抑制し、冷凍食品の品質を向上させます。農業分野では、不凍タンパク質遺伝子組み換え技術により動植物の耐寒性が向上し、経済的な水生魚の耐寒性も効果的に向上します。

南極魚類不凍タンパク質は、医療、食品、農業などの分野での応用の見通しは良好ですが、生産コストや産業化にはまだいくつかの制限や欠陥があり、生産は研究や特殊な用途に限られています。そのため、いかにして高活性な不凍タンパク質を低コストで生産するかが、今後の応用展開の技術的な鍵となります。

クリエイティブチーム: 中国科学技術館ニューメディアチーム

レビューの専門家：有名なポピュラーサイエンスライターの李維陽氏